Physiker machen Durchbruch mit neuem Quanten-Gerät

Ein Team von Physikern an der Universität Wien hat ein neues Quanten-Gerät namens Quanten-Memristor entwickelt, das die Welten der künstlichen Intelligenz (KI) und der Quantentechnologie kombinieren könnte. Das Experiment, das zusammen mit dem Nationalen Forschungsrat (CNR) und dem Politecnico di Milano in Italien durchgeführt wurde, wurde auf einem integrierten Quantenprozessor realisiert, der mit einzelnen Photonen arbeitet.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

Entdeckung des Memristors

Anwendungen der künstlichen Intelligenz basieren auf neuronalen Netzen, die von der biologischen Struktur des menschlichen Gehirns inspiriert sind und mathematisch trainiert werden, bis sie menschliche Aufgaben wie Gesichtserkennung, Fahren oder Bildinterpretation ausführen können. Einer der wichtigsten Forschungsschwerpunkte in diesen Bereichen, sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie, ist die Integration von Geräten, die Berechnungen schnell und effizient durchführen können.

Im Jahr 2008 gab es einen großen Fortschritt in diesem Bereich mit der Entdeckung des Memristors, der ein Gerät ist, das seinen Widerstand in Abhängigkeit von einer Erinnerung an den vergangenen Strom ändert. Nach der Entdeckung des Memristors stellten Wissenschaftler fest, dass das Verhalten von Memristoren dem von neuronalen Synapsen ähnelt. Dies hat dazu geführt, dass der Memristor zu einem wichtigen Bestandteil von neuromorphen Architekturen geworden ist.

Entwicklung des Quanten-Memristors

Die Gruppe der experimentellen Physiker wurde von Prof. Phillip Walther und Dr. Roberto Osellame geleitet und demonstrierte, wie ein Gerät mit dem gleichen Verhalten wie ein Memristor entwickelt werden kann. Dieses Gerät wirkt auch auf Quantenzustände und kann Quanteninformation codieren und übertragen, was dazu geführt hat, dass es als “Quanten-Memristor” bezeichnet wird. Es ist extrem schwierig, ein solches Gerät zu entwickeln, da die Dynamik eines Memristors oft dem typischen Quantenverhalten widerspricht.

Das Team stützte sich auf einzelne Photonen und ihre Fähigkeit, gleichzeitig in einer Überlagerung von zwei oder mehr Pfaden zu propagieren. Dies half dem Team erheblich bei der Realisierung eines solchen Geräts.

Sie führten ein Experiment durch, bei dem einzelne Photonen entlang von Wellenleitern propagiert wurden, die mit Laser auf einem Glas-Substrat geschrieben wurden. Diese einzelnen Photonen wurden entlang einer Überlagerung von mehreren Pfaden geführt, und einer dieser Pfade wurde verwendet, um den Fluss von Photonen zu messen, die durch das Gerät bewegten. Die Menge dieser Photonen moduliert die Übertragung auf der anderen Ausgabe, was das gewünschte Verhalten ähnlich einem Memristor erreicht.

Die Forscher konnten auch Simulationen durchführen, die zeigten, dass optische Netzwerke mit Quanten-Memristoren verwendet werden können, um klassische und Quantenaufgaben zu lernen. Dies führte das Team zu der Überzeugung, dass der Quanten-Memristor das ist, was benötigt wird, um die Bereiche der KI und der Quantencomputer zu vereinen.

Michele Spagnolo ist der erste Autor der Forschung.

“Das Freischalten des vollen Potenzials von Quantenressourcen innerhalb der künstlichen Intelligenz ist eine der größten Herausforderungen der aktuellen Forschung in der Quantenphysik und der Informatik”, sagte Spagnolo.